Fadiga em Metais
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Fadiga em Metais
Características gerais do processo de fadiga
• É a ruptura de um componente pela propagação de uma fissura gerada pela aplicação de tensões cíclicas.
• 90% das rupturas em peças móveis em serviço relacionam-se com fadiga.
Esse processo ocorre em 3 etapas:• 1-Nucleação de uma fissura em
alguma irregularidade (ponto de concentração de tensões)
• 2- Propagação da fissura • 3- Ruptura catastrófica quando
se atinge o KIc do material
Extrusões e intrusões - Aspecto
• Extrusões e intrusões em uma chapa de cobre solicitada por esforços cíclicos, durante a etapa de nucleação da fissura
Zonas típicas de uma fratura por fadiga e fissura na etapa de propagação
Pontos nucleadores de fissura por fadiga
Mecanismo de nucleação das fissuras
• Iniciam-se em irregularidades em geral superficiais, onde, pela concentração de tensões, ocorre deformação plástica localizada,com movimentos atômicos nos planos de deslizamento .
• Na tensão máxima ocorrem as saliências
• Na tensão mínima ocorrem as reentrâncias
• Uma fissura aparece nesse local depois de repetidas saliências e reentrâncias
Como identificar uma ruptura causada por fadiga?
• Presença de duas zonas uma lisa e outra rugosa. (lisa relacionada a propagação da fissura, e a rugosa a ruptura catastrófica final)
Aspecto das zonas lisa e rugosa em uma superfície de fratura por fadiga
Presença de marcas de praia• Pode aparecer na
região da ruptura as marcas de praia. Essa marca aparece cada vez que o equipamento é desligado, enquanto a fissura propaga .
Marcas de praia na zona escura onde houve a propagação da fissura por fadiga em braço de eixo manivela de alumínio. Parte clara ruptura
final catastrófica
Marcas de praia em um eixo rompido por fadiga
Presença das estrias
• Quando se observa a região da zona da fratura onde houve propagação estável da fissura por fadiga (zona macroscópica lisa) com grande aumento em MEV ou MET(microscópio eletrônico de varredura / transmissão) pode-se ver o avanço unitário da fissura sob o efeito de cada ciclo de carga. Essas linhas chamam-se de estrias.
Cada estria está associada a um ciclo de carga
Tipos de solicitações• Caso (a) eixo em rotação (por
exemplo)• Caso (b) mola
predominantemente em tração (por exemplo)
• Caso (c) asa de um avião em vôo (por exemplo)
• Intervalo da tensão cíclica: = max-min
• Amplitude da tensão cíclica: a = (max-min)/2
• Tensão média: m = (max+min)/2
• Razão de tensão: R = min/max,
• onde max e min são os máximos e mínimos níveis de tensões, respectivamente.
• Tensões de compressão são negativas e de tração são positivas
Ensaio de fadiga• Consiste em submeter
uma série de corpos de prova a cargas variáveis com tensões máximas decrescentes de valor e que levem o corpo de prova à ruptura após um certo número de ciclos que é registrado. Curva de cima, representa ensaio feito em material ferroso. Curva de baixo representa ensaio feito em material não ferroso.
Máquina de fadiga do tipo flexão alternada
• Materiais ferrosos apresentam limite de fadiga definido
• Materiais não ferrosos não apresentam limite de fadiga. Então em geral se define o valor da tensão para um número de ciclos longo, como sendo o limite de fadiga arbitrário dessa liga.
Máquina de fadiga tipo flexão alternada (a esquerda) e máquina de fadiga tipo universal de
ensaios (a direita)
Resultados práticos de curvas SxN (stress X number of cycles)
Fatores que influenciam o limite de fadiga
• Acabamento superficial- quanto melhor maior o limite de fadiga • Composição química – teor de impurezas- quanto mais puro maior o limite
de fadiga• Quanto maior a resistência mecânica do material, maior o seu limite de
fadiga (existem fórmulas empíricas correlacionando o limite de fadiga com a resistência à tração)
• Tratamentos termoquímicos (cementação, nitretação etc...) aumentam o limite da fadiga pois induzem tensões de compressão na superfície
• Jactopercussão (shot peening) eleva o limite de fadiga pois induz tensões compressivas na superfície.
• Descarbonetação (perda de carbono a partir da superfície por reações com a atmosfera) faz cair a resistência nessa área reduzindo o limite de fadiga.
• Corrosão: Se prévia influencia como a redução do acabamento superficial. Se simultânea gera um novo mecanismo chamado de corrosão-fadiga que faz cair muito o limite de fadiga.
• Os ensaios de fadiga apresentam em geral uma certa falta de reprodutibilidade, o que motiva o emprego de uma análise estatística
Análise estatística da fadiga
• Através de um comportamento estatístico pode-se determinar a probabilidade de um material sofrer fadiga para determinado valor de carga.